CN106762401A - 风力机功率提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机功率提升方法，所述功率提升方法是将获得的风轮加速度引入发电机的电磁转矩控制中，对发电机的电磁转矩进行优化调整，减小风轮的相对等效转动惯量，使风轮转速能够快速跟踪风速变化，从而满足风力机对最大功率点的跟踪而提升发电输出功率。本发明使风轮的转速能够快速跟踪风速变化，进而实现风力风电机对最大功率点的有效、快速跟踪，使得风力发电机的功率得到稳定、有效、可靠地提升，风力发电机的运行经济性好，可靠、实用。

Description

风力机功率提升方法

技术领域

本发明涉及风力发电机的控制方法，具体是一种风力发电机的功率提升方法。

背景技术

风力发电机是以自然界的风能利用而实现能量转换的，其对风能利用率的高低直接决定着运行的经济性。风力发电机、特别是MW级风力发电机通常是以追踪最优C_p-λ曲线的控制方法，获得最大的风能利用率。即风力发电机的C_p-λ曲线控制方法是，由一簇包含功率系数Cp值和叶尖速比λ值的无因次性能曲线来表示运行时的风能利用率，功率系数Cp值是叶尖速比λ值的函数，而CP-λ又是风力发电机风轮叶片桨距角(β)的函数，因而风力发电机一般采用追踪最优CP-λ曲线的方法实现低风速下的发电机电磁转矩给定，发电机电磁转矩的给定计算模型见下式所示：

Qg＝Koptωg²；

式中，Qg为发电机的电磁转矩，Kopt为转矩的最佳控制系数、取值范围为0.6～1.6，ωg为发电机角速度；

其中，转矩的最佳控制系数

式中，λopt为期望的叶尖速比，Cpmax为期望的叶尖速比所对应的功率系数，ρ为空气密度，R为叶轮半径，G为齿轮箱的传动比。

由此可见，以追踪最优CP-λ曲线的方法提升风力发电机功率，其主要因素取决于稳定的风速环境。在风场的风速变化不大时，前述控制方法能够很好的保证低风时的风力风电机的出力状况。然而，自然界的风能速度是快速的、多变的、非恒定的，加之风力发电机的风轮惯性较大，这就会导致正在运行的风轮在自身很大惯性的作用下而转速跟不上风速的快速变化，如此，λ值不可能总保持在最佳λopt，进而使风速突然增加时的λ值会减小。也就是说，在风速突然增加时，风力发电机的风轮的转速无法有效地实现对风速变化的快速跟踪，从而满足不了风力风电机对最大功率点的有效、快速跟踪，不利于风力发电机的发电输出功率提升，风力发电机的运行经济性差。

发明内容

本发明的技术目的在于：针对上述现有技术的不足，提供一种在风速变化过程中能够使风轮转速快速跟踪风速变化，实现风力风电机对最大功率点的有效、快速跟踪的风力机功率提升方法。

本发明实现其技术目的所采用的技术方案是，一种风力机功率提升方法，所述功率提升方法是将获得的风轮加速度引入发电机的电磁转矩控制中，对发电机的电磁转矩进行优化调整，减小风轮的相对等效转动惯量，使风轮转速能够快速跟踪风速变化，从而满足风力机对最大功率点的跟踪而提升发电输出功率。

所述风轮加速度对发电机的电磁转矩优化调整是通过下述计算模型实现：

式中，Q_g为发电机的电磁转矩，K_opt为转矩的最佳控制系数、取值范围为0.6～1.6、优选取值为0.9，ω²为风轮角速度平方，G为齿轮箱变数比，α为最佳转矩调峰系数，为风轮加速度。进一步的，所述最佳转矩调峰系数α是通过风力机实际运行情况下使用寻优算法获得，该最佳转矩调峰系数α的取值范围为20～50，在此取值范围内优选取值为30。

所述风轮加速度是通过布置于风力发电机上的转速传感器和微分跟踪器获得，所述转速传感器用于获取风力发电机主轴的旋转频率，所述微分跟踪器用于提取转速传感器输出的频率信号中的微分量、并进行对应处理，从而获得风轮加速度数据。进一步的，所述微分跟踪器为非线性最速微分跟踪器。

作为优选方案，所述风力机为兆瓦级风力发电机。

本发明的有益技术效果是：

1.本发明通过将获取的风轮加速度引入风力发电机的发电机电磁转矩控制中，对发电机的电磁转矩进行优化调整，减小风轮的相对等效转动惯量，使风轮的转速能够快速跟踪风速变化，进而实现风力风电机对最大功率点的有效、快速跟踪，使得风力发电机的功率得到稳定、有效、可靠地提升(通常，对于MW级风力发电机的输出功率可提高0.7％以上)，风力发电机的运行经济性好，可靠、实用；

2.本发明所选用的非线性最速微分跟踪器能够快速跟踪原始信号，从而合理地提取信号中的微分量，进而对提取的微分量有效、可靠地实现信号干扰噪声的衰减处理，获得高精准的风轮加速度数据，有利于确保发电机电磁转矩优化调整的准确性和可靠性。

具体实施方式

本发明为风力发电机、特别是兆瓦级风力发电机(即大型风力发电机)在运行过程中的功率提升方法，下面对本发明的技术内容进行详细说明。

本发明是通过下述技术措施实现的：

首先，在风力发电机上布置转速传感器和微分跟踪器；

转速传感器布置在风力发电机的主轴上，用于获取风力发电机在运行时的主轴旋转频率，将所获取的主轴旋转频率输出给微分跟踪器；

微分跟踪器采用非线性最速微分跟踪器，该微分跟踪器能够快速跟踪原始信号，从而合理地提取信号中的微分量，进而对提取的微分量有效、可靠地实现信号干扰噪声的衰减处理；微分跟踪器布置在风力发电机内的控制柜内；微分跟踪器用于提取转速传感器输出的频率信号中的微分量，将提取的微分量进行信号干扰噪声的衰减处理，从而获得风力发电机运行时的风轮加速度数据；

然后，将获得的风轮加速度数据引入发电机的电磁转矩控制中，对发电机的电磁转矩进行优化调整，风轮加速度对发电机的电磁转矩优化调整是通过下述计算模型实现的：

在该计算模型中，Q_g为发电机的电磁转矩，K_opt为转矩的最佳控制系数、取值范围为0.6～1.6、优选取值为0.9，ω²为风轮角速度平方，G为齿轮箱变数比，α为最佳转矩调峰系数，为风轮加速度；

其中，转矩的最佳控制系数式中，λopt为期望的叶尖速比，Cpmax为期望的叶尖速比所对应的功率系数，ρ为空气密度，R为叶轮半径，G为齿轮箱的传动比；

最佳转矩调峰系数α是通过风力发电机实际运行情况下使用寻优算法获得，该最佳转矩调峰系数α的取值范围为20～50，例如20、30、40或50，在此取值范围内优选取值为30；

如此，在风速突然变化时，通过对发电机的电磁转矩进行及时、有效地优化调整，减小风轮的相对等效转动惯量；减小风轮的相对等效转动惯量是在风力发电机传动系统的刚性轴模型中引入加速度后实现的，而风力发电机的传动系统的刚性轴模型如下：

式中：J为风力发电机的总转动惯量，为风轮加速度，Qa为气动转矩，G为齿轮箱变比，Q₁传动链转矩损耗，Qg发电机的电磁转矩；在风轮中引入加速度后则得如下计算模型：

如此，通过减小风轮的相对等效转动惯量，使风轮的转速能够快速跟踪风速的变化，从而满足风力风电机对最大功率点的快速、有效地跟踪，使风力发电机的发电输出功率得到稳定、可靠、有效地提升。

以上具体技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种风力机功率提升方法，其特征在于，所述功率提升方法是将获得的风轮加速度引入发电机的电磁转矩控制中，对发电机的电磁转矩进行优化调整，减小风轮的相对等效转动惯量，使风轮转速能够快速跟踪风速变化，从而满足风力机对最大功率点的跟踪而提升发电输出功率。

2.根据权利要求1所述风力机功率提升方法，其特征在于，所述风轮加速度对发电机的电磁转矩优化调整是通过下述计算模型实现：

$Q_g=K_{opt}{\mathrm{\ω}}^2/G-\mathrm{\α}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}};$

式中，Q_g为发电机的电磁转矩，K_opt为转矩的最佳控制系数，ω²为风轮角速度平方，G为齿轮箱变数比，α为最佳转矩调峰系数，为风轮加速度。

3.根据权利要求2所述风力机功率提升方法，其特征在于，所述最佳转矩调峰系数α是通过风力机实际运行情况下使用寻优算法获得，该最佳转矩调峰系数α的取值范围为20～50。

4.根据权利要求1所述风力机功率提升方法，其特征在于，所述风轮加速度是通过布置于风力发电机上的转速传感器和微分跟踪器获得，所述转速传感器用于获取风力发电机主轴的旋转频率，所述微分跟踪器用于提取转速传感器输出的频率信号中的微分量、并进行对应处理，从而获得风轮加速度数据。

5.根据权利要求4所述风力机功率提升方法，其特征在于，所述微分跟踪器为非线性最速微分跟踪器。

6.根据权利要求1所述风力机功率提升方法，其特征在于，所述风力机为兆瓦级风力发电机。